變頻節(jié)能技術(shù)在商用制冷產(chǎn)品上的研究與應(yīng)用

張震德 丁山峰 劉宗岳 程貴亮

（澳柯瑪股份有限公司 山東青島 266510）

節(jié)能是家電產(chǎn)品最重要的發(fā)展方向之一，隨著國家政策的引導(dǎo)，商用制冷產(chǎn)品慢慢也對節(jié)能提出了要求。作為家電產(chǎn)品中最成熟、有效的節(jié)能途徑，變頻技術(shù)受到了社會各界的一致認(rèn)可與推崇。近年來，各家電企業(yè)瞄準(zhǔn)家用及商用電器市場節(jié)能發(fā)展方向不斷推出新的變頻產(chǎn)品，由此推動了變頻技術(shù)方案不斷更新。

制冷產(chǎn)品所采用的變頻技術(shù)主要是將市電整流得到直流電，再通過三相橋式逆變器產(chǎn)生頻率可變的交流電來驅(qū)動變頻壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻控制主要是對三相橋式逆變器的6個開關(guān)管的控制(如圖1)。通過三相橋式逆變器，利用處理器提供的不同算法對輸出電壓與電流的幅值、相位及頻率進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)不同的效果。目前，應(yīng)用于電器產(chǎn)品的變頻控制技術(shù)主要是空間矢量調(diào)制技術(shù)（也稱為磁場定向控制技術(shù)（FOC））。

空間矢量調(diào)制是將異步電動機(jī)在三相交流坐標(biāo)系下的電流ia、ib和ic，分解到兩個相互垂直的虛擬坐標(biāo)系上，一般稱為d-q軸。被分解到d-q軸后電機(jī)模型即轉(zhuǎn)換到單個向量空間，相應(yīng)的電流和磁動勢具有恒定的幅值和同步的角速度。這樣便可以模擬直流電機(jī)的控制方法實(shí)現(xiàn)對三相交流電機(jī)的控制，然后再將各控制量從兩相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到三相坐標(biāo)系，如此便實(shí)現(xiàn)了對變頻壓縮機(jī)的控制。

空間矢量控制算法主要通過如下步驟實(shí)現(xiàn)（如圖2）：

（1）測量3 相繞組電流。在逆變橋的3個下橋臂與直流母線的負(fù)極之間串接水泥電阻來取樣三相定子電流ia、ib和ic，該脈沖電流信號經(jīng)放大濾波進(jìn)入處理器的AD采樣通道。

（2）將3相電流變換至2軸坐標(biāo)系。該變換將得到變量iα和iβ，它們是由測得的ia、ib和ic值變換而來。從定子角度來看，iα和iβ是相互正交的時變電流值。

（3）按照控制環(huán)上一次迭代計算出的變換角，來旋轉(zhuǎn)2軸坐標(biāo)系使之與轉(zhuǎn)子磁通對齊。iα和iβ變量經(jīng)過該變換可得到Id和Iq。Id和Iq為變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正交電流。在穩(wěn)態(tài)條件下，Id和Iq是常量。

（4）電流環(huán)誤差信號由Id、Iq的實(shí)際值和各自的參考值進(jìn)行比較而獲得。Id的參考值控制轉(zhuǎn)子磁通；Iq的參考值控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出；誤差信號是PI控制器的輸入；控制器的輸出為Vd和Vq，即要施加到電機(jī)上的電壓矢量。

（5）位置估算器估算出新的變換角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是輸入?yún)?shù)。新的角度可告知矢量控制算法下一個電壓矢量在何處。

（6）通過使用新的角度，可將PI控制器的Vd和Vq輸出值逆變到靜止參考坐標(biāo)系。該計算將產(chǎn)生下一個正交電壓值Vα和Vβ。

（7）Vα和Vβ值經(jīng)過逆變換得到3相值va、vb和vc。該3相電壓值可用來計算新的PWM 占空比值，以生成所期望的電壓矢量，控制三相逆變器6個IGBT的通斷以控制壓縮機(jī)運(yùn)行。

該過程包含兩個PI環(huán)路，電流環(huán)路用于調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而速度環(huán)路用于精確控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子位置和速度估算是整個算法的核心，位置可以通過電機(jī)的反電動勢進(jìn)行估算，速度可以根據(jù)單位時間內(nèi)電機(jī)位置的變化并且經(jīng)過相位補(bǔ)償之后進(jìn)行估算。

具體到硬件電路的實(shí)現(xiàn)無外乎幾個部分：電源濾波與整流電路、電源變換電路、相電流采樣放大電路、處理器單元、開關(guān)管驅(qū)動與保護(hù)電路以及三相橋式逆變器（如圖3）。

目前應(yīng)用各種電器的變頻方案軟件算法大同小異，然而電路結(jié)構(gòu)卻更新迅速。早期處理器發(fā)展水平相對較低，而且應(yīng)用于家電的變頻技術(shù)剛剛起步，為保證方案的可靠性，早期的變頻方案處理器單元一般采用16位或者8位專用單片機(jī)，以及集成開關(guān)管驅(qū)動保護(hù)電路的智能功率模塊來搭建整個硬件電路。這種方案處理器數(shù)據(jù)處理能力相對較弱，而且成本較高。隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，處理器單元逐漸由DSP更新為ARM。為了進(jìn)一步降低成本，各廠家也一直在探索將智能功率模塊IPM替換為分立功率器件IGBT，目前主流的方案就是如圖2所示硬件電路相互獨(dú)立的模式，這種方案成本有大幅地降低，但是可靠性也相對下降。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下不斷降低成本，變頻產(chǎn)品在家電市場才能有更廣泛的市場，這是各家電廠家所追求的。而將相電流采樣放大電路和開關(guān)管驅(qū)動保護(hù)電路集成到處理器內(nèi)部，設(shè)計成變頻控制的專用芯片，將大大簡化硬件電路的設(shè)計并且提高產(chǎn)品可靠性。上游芯片廠家已經(jīng)關(guān)注這一點(diǎn)，并有廠家已經(jīng)推出此類芯片。而對于技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)，他們會選擇將變頻產(chǎn)品附屬的一些功能，比如風(fēng)機(jī)控制、溫度采集、人機(jī)交互等功能盡量集成到變頻控制板中，以降低產(chǎn)品整體成本。

針對商用制冷產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，壓縮機(jī)的啟動和儲藏溫度試驗是具體產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計中難點(diǎn)。在高溫高濕環(huán)境下，商用制冷產(chǎn)品制冷系統(tǒng)內(nèi)部壓力相對常溫條件下高出數(shù)倍，為保證壓縮機(jī)能夠成功啟動，逆變器需要給電機(jī)提供更大的啟動電流。為此，在硬件設(shè)計時功率開關(guān)管選取要留有足夠的余量，并在PCB布板設(shè)計時保證功率開關(guān)管的有效散熱面積；而在軟件調(diào)試時需要模擬高溫高濕環(huán)境，反復(fù)試驗確定電流保護(hù)點(diǎn)參數(shù)，保證壓縮機(jī)在惡劣環(huán)境下啟動的成功率，同時避免過大電流對元器件的沖擊。

在做低成本的變頻方案時，環(huán)境溫度傳感器甚至溫度控制傳感器都會被簡化掉，這樣變頻處理器無法獲知外界環(huán)境溫度的變化，當(dāng)冷凍負(fù)載變化時控制器也無法迅速調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來維持負(fù)載溫度的恒定。這種情況下，必須在軟件設(shè)計中增加負(fù)載電流觀察器，通過捕捉負(fù)載電流的變化來調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以減小負(fù)載溫度的波動。

經(jīng)過實(shí)驗室測試，同一產(chǎn)品采用變頻壓縮機(jī)比普通壓縮機(jī)節(jié)能可達(dá)到30%，節(jié)能效果非常明顯。然而變頻壓縮機(jī)和變頻控制器增加的成本卻制約著變頻產(chǎn)品的普及。作為家電企業(yè)所需要做的便是尋求更好的變頻方案，降低變頻產(chǎn)品成本，推動變頻產(chǎn)品市場向前發(fā)展，為社會節(jié)能減排和人類環(huán)境的綠色健康做出貢獻(xiàn)。

[1] R.Krishnan（美）著，柴鳳等譯，永磁無刷電機(jī)及其驅(qū)動技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社，2013年1月出版

[2] 吳宇，析變頻調(diào)速技術(shù)原理及在家電中的應(yīng)用，職大學(xué)報，2007年第四期